[发明专利]利用液化天然气冷能生产高压富氧气体的空气分离方法

说明书

技术领域

本发明属于液化天然气冷能利用技术领域，特别涉及一种利用液化天然气冷能生产高压富氧气体的空气分离方法。

背景技术

为了应对气候变化，世界各国近年来都在大力研发CO₂捕集和封存(CCS)技术，其中富氧燃烧捕集技术被认为是最有可能大规模推广和商业化的CCS技术之一。大型富氧燃烧捕集装置需要消耗大量摩尔浓度低于97％的富氧气体，如一个富氧燃烧电厂每天需要上万吨高压富氧，制氧能耗巨大，可使电厂的发电效率降低6～8百分点。

随着社会经济的发展和能源结构的调整，我国的天然气产业进入了快速发展时期。为了弥补国内天然气资源的不足，我国每年从国外进口了大量的液化天然气(LNG)，2014年的进口量已达到了1989万吨。LNG在常压下是一种-162℃的低温液体，使用前需要在接收站内将其增压7～10MPa(绝对压力，下文出现的压力均为绝对压力)后加热汽化，汽化过程中会放出约230kWh·t^-1的冷能，具有巨大的利用价值。LNG冷能可以用于空气分离，轻烃分离，低温发电，CO₂捕集，低温粉碎和低温冷库等产业，节约生产过程的能耗。LNG冷能的利用效率与所利用的温度相关，利用温度越低，则冷能利用效率越高。因此利用LNG冷能进行低温空气分离可以得到最大有节能效益，是最合理的LNG冷能利用方式。在LNG接收站附近建设富氧燃烧装置，利用LNG冷能生产富氧燃烧捕集CO₂所需的高压富氧气体，可以大幅降制氧能耗和CO₂捕集的成本，有利于富氧燃烧捕集技术的大规模推广和商业化应用。

目前，国内已经公布了多个利用LNG冷能的空气分离专利技术：

(1)在中国发明专利01127133.7和200510124175.4介绍的利用液化天然气冷能生产液氧、液氮和液氩的空气分离装置中，均采用双塔流程进行氮氧分离，而LNG的冷能通过氮气制冷循环为空气分离装置提供生产液体空分产品所需的冷能。但由于氮气压缩液化过程只能利用深冷部分的LNG冷能，离开空气分离装置的天然气(NG)温度仍远低于常温，冷能未能充分利用。

(2)在中国发明专利200910085213.8，200910059100.0，201010262363.4等利用液化天然气冷能的空气分离方法中，为充分利用LNG的冷能，一方面将深冷部分的LNG冷能用于循环氮气的冷却和液化，为空气分离过程提供冷能；另一方面将LNG汽化后剩余的浅冷部分的冷能经冷媒乙二醇水溶液或氟利昂用于空压机级间冷却和末级冷却，使得LNG冷能得到充分利用。

上述现有的利用LNG冷能的空气分离专利方法都是采用双塔流程来生产高纯度的全液体空分产品，在使用过程中存在如下缺点：(1)由于液体产品的运输费用较高，液体空分装置的产品经济输送半径一般在300km以内，市场规模有限；(2)液氧的生产成本远高于气体产品，也无法直接用于富氧燃烧装置；(3)空分装置最大的能耗来自空气压缩机，而目前大多数的低温空分装置都采用高压塔(下塔)和低压塔(上塔)进行热集成的双塔流程来生产氧气，全部的空气原料都需要从常压压缩至高压(约0.6MPa)以便于进入高压塔进行分离，由于制氧能耗很高，不适合在富氧燃烧捕集CO₂的装置中使用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种利用液化天然气冷能生产高压富氧气体的空气分离方法。一方面，空气分离过程采用三塔流程，即增设一个中压塔与低压塔进行热集成，如此只需将一部分原料空气压缩至高压并进入高压塔分离，而其它空气原料则进入中压塔和低压塔进行分离，降低空压机的能耗；第二方面，从低压塔中段取出一部分冷能用于一股中压空气液化，使其可以利用液体泵增压进入高压塔进行分离，进一步降低空压机的能耗；第三个方面，以循环氮气作为中间介质，利用LNG冷能冷凝高压塔塔顶的氮气，为空分装置提供冷能，而且可以防止LNG泄漏到空分装置内部，提高了装置的安全性能。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种利用液化天然气冷能生产高压富氧气体的空气分离方法，包括以下操作步骤：

(1)空气压缩和净化